CN110398221A - 一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，包括第一标准桩和传动杆，所述第一标准桩上安装有钢丝，且钢丝上设置有花兰螺栓，同时第一标准桩与第二标准桩通过钢丝相连接；测量筒的内部上端与固定部一体成型，且测量筒的下端与筒底部一体成型，同时筒底部上开设有第二孔洞和第三孔洞，测量筒的内部侧壁上开设有限位槽，固定杆的下端插接在测量地面内，且固定杆上开设有定位槽，移动块设置在传动板的上端。该用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，具有可测量区域土体的冻胀量和相对位移量，以期指导该区域工程项目的建设，根据所测结果结合实际需要做好相应的防护措施，提高建设项目的使用寿命的特点。
Description
技术领域
本发明涉及土工测量设备科技技术领域，具体为一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置。
背景技术
季冻区和多年冻土地区，伴随着冻胀、融化的过程，土体经受年复一年的周期性冻融循环作用，土体颗粒不断顺坡下移，极易破坏生产建设项目，产生冻融滑塌现象，加速水土流失，影响景观和谐，间接影响建设项目的功能与寿命，目前市场上还没有较为成熟的装置用来量测冻融位移量。
在季节性冻土区，冻胀、融化的过程常反复交替进行着，含水量大的土壤颗粒的体积由膨胀变成收缩状态。冻胀时，土壤表面垂直上移，冻融时下落过程常不规则变化。每次冻融冻胀循环交替变化时，土壤会发生轻度倾斜位移。土体经受年复一年的周期性冻融循环作用，土壤的表面不断移动或倾斜，最终导致冻融滑塌现象。
目前测量土壤冻胀、融化的装置以电子装备为主，如CN203798314U公开了一种测量冻土冻胀位移的装置，是由试样罐、土样、激光传感器、传感器支架、传感器固定抽杆、零位标记抽杆、零位标记固定架、传感器固定架、最大量程标记架、刻度尺、支架、导线、直流电源、数据采集仪、数据采集软件组成。CN107727685A公开了一种自平衡土体冻胀量测试装置，该装置沿桶身高度方向上，在桶内、外壁相应高度位置上留设四个测温孔，用于埋设在土体中的热电偶温度传感器通过导线与外部采集仪连接，并用记号笔记录靠近桶体底端处的螺旋钢丝另一端的位置。CN109781773A公开了一种分层伸缩式检测土的冻胀装置，通过位移传感器获取不同时段各个测点所在冻胀层的冻胀量数据，根据各个测点反馈的冻胀量数据汇总得到测试区域内冻土冻胀变形情况。CN109738480A公开了一种现场全面监测土的冻胀装置，它包括立柱、联结盘和多个支撑体，所述立柱竖直设置，联结盘可拆卸连接在立柱的顶部，多个支撑体均设置在联结盘上，每个支撑体上固定安装有至少一个位移传感器，每个位移传感器的探头端对应设置有一个锚盘。
可见，现有技术中的测量土壤冻胀装置大多需要外接电源才能工作，而在一些无法提供电源的地区，这些装置均无法工作，同时，测量冻胀的装置常常不能测量冻融倾斜值，为了解决上述问题，急需一种不需外接电源，又可精确测量土壤冻融冻胀位移量的装置。
发明内容
本发明解决的技术问题在于克服现有技术的土体经受年复一年的周期性冻融循环作用，土体颗粒不断顺坡下移，极易破坏生产建设项目，产生冻融滑塌现象，加速水土流失，影响景观和谐，间接影响建设项目的功能与寿命，目前市场上还没有较为成熟的装置用来量测冻融位移量的缺陷，提供一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置。所述测量板、测量筒和传动板具有可测量区域土体的冻胀量和相对位移量，以期指导该区域工程项目的建设，根据所测结果结合实际需要做好相应的防护措施，提高建设项目的使用寿命的特点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，包括第一标准桩和传动杆，所述第一标准桩上安装有钢丝，且钢丝上设置有花兰螺栓，同时第一标准桩与第二标准桩通过钢丝相连接；测量筒的内部上端固定有固定部，且测量筒的下端设置有筒底部，同时筒底部上开设有第二孔洞和第三孔洞，测量筒的内部侧壁上开设有限位槽，固定杆的下端插接在测量地面内，且固定杆上开设有定位槽，移动块设置在传动板的上端，且传动板通过螺栓与移动块相固定，固定块的左端焊接在移动块右侧设置的凹槽中，移动块内部开设有孔槽，固定块的侧壁上开设有滑槽，且固定块内部安装有压缩弹簧；记录笔的左端设置有滑块，传动板的两端通过螺栓安装有限位块，且传动板上设置有第二安装板和第四孔洞，同时传动板安装在测量筒的内部；
所述传动杆的上端通过第二安装板与传动板相固定，且传动杆的下端通过第一安装板与测量板相固定，同时传动杆安装在传动板与测量板的中间；测量板中部开设有第一孔洞，且测量板的上端设置有第一安装板，移动块内部与定位块一体成型，测量筒内部开设有卡槽，且刻度纸粘贴在卡槽的内部。
优选的，所述第一标准桩与第二标准桩为平行关系，且第一标准桩与第二标准桩均是由长2m的钢筋做成的底部为锥形的圆柱形结构。
优选的，所述测量筒是由镀锌铁皮做成的内部为中空的圆柱形结构，且限位槽沿着测量筒的内壁设置为四组，同时相邻两组限位槽之间的距离相等。
优选的，所述固定杆是由钢筋做成的剖面为方形的结构，且固定杆的上端插接在固定部的内部，同时固定杆与记录笔为垂直关系。
优选的，所述移动块与传动板形成T字形，且限位块沿着传动板的周向位置设置为四组，同时相邻两组限位块之间的角度为90°，滑块滑接在滑槽的内部。
优选的，所述限位槽与限位块的尺寸相适配，同时限位块滑接在限位槽的内部；且可适度倾斜运动，倾斜范围为1-3°，移动块通过定位块滑接在定位槽的内部。
优选的，所述传动杆设置为三组，且三组传动杆穿过筒底部表面的三组第二孔洞设置；传动杆的上端通过螺栓与第二安装板相固定，且第二安装板焊接在传动板的底部，传动杆的下端通过螺栓与第一安装板相固定，且第一安装板焊接在测量板的上表面。
优选的，所述第一孔洞、第三孔洞和第四孔洞均为方形设置，且第一孔洞、第三孔洞和第四孔洞的尺寸一致，同时三组孔洞的尺寸大于固定杆的横截面尺寸。
优选的，测量板为边长为15-30cm的方形钢板，厚2-4mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
优选的，测量板为20cm×20cm的方形钢板，厚3mm，此时的测量精准度较高。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.第一标准桩的长度根据冻土深度适当调整，在标准桩的顶部位置做好标记，用于固定在永冻层上，作为基准桩，测量筒紧邻标准桩布设，每次测量前记录基准桩与测量筒标记之间的距离，用以测算冻融位移量；
2.当测量地面下陷，测量板向下移动，测量板通过传动杆带动传动板向下移动，移动块上的记录笔在刻度纸上进行划线，用于记录测量地面下陷的高度，传动板通过其侧面的限位块滑接在测量筒内部的刻度纸中，对传动板进行限位和导向的作用；
3.通过第一标准桩、第二标准桩和测量筒可测量区域土体的冻胀量和相对位移量，以期指导该区域工程项目的建设，根据所测结果结合实际需要做好相应的防护措施，提高建设项目的使用寿命。
4.我们课题组成员经过长期的动态监测，发现在季节性冻土区，土地一般冻胀现象是垂直于坡面向上隆升，温度回升后，土壤融解时，移动方向多呈现一定角度的倾斜下降，不一定会按照重力方向落下，大多数情况是在每次的冻胀后，土壤在原来的位置倾斜向下移动一段位移，尤其在春季冻融季节，该现象尤为明显，现有的测量各个点的移动量的装置已经达不到同时动态监测冻融和冻胀现象的要求，而本发明的装置测量区域为一个平面，即测量板可在一个面上测量该片区域的整体土壤活动情况，综合在测量纸上反应出冻胀、冻融的变化趋势，尤其可测量出冻融位移的角度，这是以往任何现有的冻胀位移测量装置均无法实现的，便于科研人员综合观测该现象与当地气候(如温度，湿度，土壤含水率)的关系。
5.在一些土壤含水率高的地区，土壤侵蚀严重，昼夜温差大导致冻融冻胀现象交替发生，非单一冻融或冻胀现象尤为突出；使用本发明装置可全面探索土壤冻融冻胀交替变化趋势，为科研工作提供方便，便捷的设备。
6.冻胀冻融反复进行的地区，土壤侵蚀现象尤为严重，科研人员就不能仅针对冻胀现象进行单一研究，而采用本发明的测量冻融冻胀现象的装置，可以同时多角度监测冻胀冻融交替变化趋势，为水土保持研究提供准确可靠的数据依据。测量板为20cm×20cm的方形钢板，厚3mm，此时的测量精准度较高。这是因为冻融现象是一个反复交替的复杂现象，它经常伴随着土壤侵蚀变化，即位移量变化的同时，土壤表面也会不同程度的倾斜，因此，测量板的大小和厚度能综合从一整平面上综合考量土壤的侵蚀变化。
附图说明
图1为本发明结构正视示意图；
图2为本发明固定块结构示意图；
图3为本发明结构移动块俯视图；
图4为本发明测量板结构示意图；
图5为本发明筒底部结构示意图；
图6为本发明结构固定部示意图；
图7为本发明结构测量筒展开示意图；
图中标号：1、第一标准桩；2、测量筒；3、固定部；4、刻度纸；5、固定杆；6、移动块；7、记录笔；8、固定块；9、限位槽；10、传动杆；11、测量地面；12、第二标准桩；13、测量板；14、筒底部；15、定位槽；16、限位块；17、传动板；18、花兰螺栓；19、钢丝；20、孔槽；21、滑块；22、滑槽；23、定位块；24、第一安装板；25、第一孔洞；26、第二孔洞；27、第三孔洞；28、第二安装板；29、第四孔洞；30、卡槽；31、压缩弹簧。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
请参阅图1-7，本发明提供一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，包括第一标准桩1和传动杆10，第一标准桩1上安装有钢丝19，且钢丝19上设置有花兰螺栓18，同时第一标准桩1与第二标准桩12通过钢丝19相连接；第一标准桩1与第二标准桩12为平行关系，且第一标准桩1与第二标准桩12均是由长2m的钢筋做成的底部为锥形的圆柱形结构；测量筒2的内部上端固定有固定部3，且测量筒2的下端设置有筒底部14，同时筒底部14上开设有第二孔洞26和第三孔洞27，测量筒2的内部侧壁上开设有限位槽9，限位槽9与限位块16的尺寸相适配，且限位槽9与限位块16可适度倾斜，同时限位块16滑接在限位槽9的内部；移动块6通过定位块23滑接在定位槽15的内部；测量筒2是由镀锌铁皮做成的内部为中空的圆柱形结构，且限位槽9沿着测量筒2的内壁设置为四组，同时相邻两组限位槽9之间的距离相等；固定杆5的下端插接在测量地面11内，且固定杆5上开设有定位槽15，固定杆5是由钢筋做成的剖面为方形的结构，且固定杆5的上端插接在固定部3的内部，同时固定杆5与记录笔7为垂直关系；移动块6设置在传动板17的上端，且传动板17通过螺栓与移动块6相固定，固定块8的左端焊接在移动块6右侧设置的凹槽中，移动块6内部开设有孔槽20，固定块8的侧壁上开设有滑槽22，且固定块8内部安装有压缩弹簧31；记录笔7的左端设置有滑块21，传动板17的两端通过螺栓安装有限位块16，且传动板17上设置有第二安装板28和第四孔洞29，同时传动板17安装在测量筒2的内部；移动块6与传动板17形成T字形，且限位块16沿着传动板17的周向位置设置为四组，同时相邻两组限位块16之间的角度为90°，滑块21滑接在滑槽22的内部；传动杆10设置为三组，且三组传动杆10穿过筒底部14表面的三组第二孔洞26设置；传动杆10的上端通过螺栓与第二安装板28相固定，且第二安装板28焊接在传动板17的底部，传动杆10的下端通过螺栓与第一安装板24相固定，且第一安装板24焊接在测量板13的上表面；传动杆10的上端通过第二安装板28与传动板17相固定，且传动杆10的下端通过第一安装板24与测量板13相固定，同时传动杆10安装在传动板17与测量板13的中间；测量板13中部开设有第一孔洞25，且测量板13的上端设置有第一安装板24，移动块6内部与定位块23一体成型，测量筒2内部开设有卡槽30，且刻度纸4粘贴在卡槽30的内部；第一孔洞25、第三孔洞27和第四孔洞29均为方形设置，且第一孔洞25、第三孔洞27和第四孔洞29的尺寸一致，同时三组孔洞的尺寸大于固定杆5的横截面尺寸；
如图1-6所示：当测量地面11下陷，测量板13向下移动，测量板13通过传动杆10带动传动板17向下移动，移动块6上的记录笔7在刻度纸4上进行划线，用于记录测量地面11下陷的高度，传动板17通过其侧面的限位块16滑接在测量筒2内部的刻度纸4中，对传动板17进行限位和导向的作用；
如图1所示：第一标准桩1的长度根据冻土深度适当调整，在标准桩的顶部位置做好标记，用于固定在永冻层上，作为基准桩，测量筒2紧邻标准桩布设，每次测量前记录基准桩与测量筒2标记之间的距离，用以测算冻融位移量。
在使用该用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置时，在测量地选取相对较为平整的平面，将测量板13平铺在地上，与地面贴实，将固定杆5穿过测量板13垂直坡面固定在测量地面11中，在固定杆5上放上测量筒2，在测量筒2两侧垂直坡面分别固定有第一标准桩1和第二标准桩12，用钢丝19拉紧连接，在测量筒2和钢丝19上各做一记号点，测量标准桩顶点、钢丝19记号点与测量筒2上记号点的距离以及钢丝19与测量筒的相对高度差，经过一个自然年后，再次测量这三个数据，并取出刻度纸4读取记录笔7在其上画出的痕迹长度，计算最大冻胀量；通过计算前后的高差和距离差，可求得冻融位移量；这就是该用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置工作的整个过程。
实验一：寒冷地区冻融冻胀反复发生实验下不同测量装置的对比实验
2018-2019年在长白山二道白河季节冻土地区，设置在同一样地上，采用不同测量冻胀装置监测土壤位移变化情况，测量数据每月每组重复3次取平均值，数据采集时间分别为2018年11月，2018年12月，2019年1月，2019年2月，2019年3月，2019年4月。其中月冻胀量为土壤冻结前后的垂直移动距离差值，月冻融倾斜角度为沿垂直方向的土壤移动倾斜夹角。
实验例1
采用实施例1的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其中的基准杆埋在土壤表面向下30cm。
实验例2
采用东莞市正台测试仪器有限公司的冻胀测量仪，型号ZT-CTH-800D。
实验例3
设置不动点时，钻一个1m深孔，安装测量尺，手动测量不同时期土壤的位移量。
实验结果：冻胀冻融侵蚀现象呈现明显的季节性变化，尤其在寒冷地区，土壤一般从11月开始进入冻结期，一直到次年4月依然还在冻结，但从表1可知，次年3月开始，冻融现象已然发生，这是由于严寒地区早晚温差大，白天气温回升土壤的水分融化，地面下降，而到了夜晚温度再次降低，土壤水分再次凝结冻胀，由此反复冻胀冻融现象交替发生，通过实验例1的本发明装置可以全面探测到该现象的发生，即不仅从冻融值上反应出土壤的垂直变化差值，还从倾斜角度进一步探索出土壤发生日夜交替冻融冻胀现象后的立体变化趋势，即在一些土壤含水率高的地区该现象尤为突出；相反的，实验例2和3的装置均只能垂直探测冻融现象，无法获得准确的土壤倾斜变化。使用实验例1的装置可全面探索土壤冻融冻胀交替变化趋势，为科研工作提供方便，便捷的设备。
表1不同测量装置下的冻胀冻融动态观测对比
实验二：不同测量板面积和厚度对测量值的影响
2019年4月，在实验室人工模拟冻胀冻融现象交替发生实验，采用本发明的装置，设置不同规格的测量板，研究测量板的规格对土壤冻融冻胀现象的观测值的影响，每个实验组重复3次取平均值。
实验例4
测量板为边长为15cm的方形钢板，厚2mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例5
测量板为边长为15cm的方形钢板，厚3mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例6
测量板为边长为15cm的方形钢板，厚4mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例7
测量板为边长为20cm的方形钢板，厚2mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例8
测量板为边长为20cm的方形钢板，厚3mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例9
测量板为边长为20cm的方形钢板，厚4mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例10
测量板为边长为30cm的方形钢板，厚2mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例11
测量板为边长为30cm的方形钢板，厚3mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
实验例12
测量板为边长为30cm的方形钢板，厚4mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
对照例
人工模拟土壤冻胀量10cm，冻融量8cm，及冻融倾斜角2°。
实验结果：冻胀冻融反复进行的地区，土壤侵蚀现象尤为严重，科研人员就不能仅针对冻胀现象进行单一研究，而采用本发明的测量冻融冻胀现象的装置，可以同时多角度监测冻胀冻融交替变化趋势，为水土保持研究提供准确可靠的数据依据。而本发明的测量板的规格直接影响的是冻融现象的观测，如表2，与相同的人工模拟对照组相比，实验例8的误差最小，最接近人工模拟数值，即测量板为20cm×20cm的方形钢板，厚3mm，此时的测量精准度较高。冻胀值来看，实验例4-12均与对照值无显著差异，即测量板的规格对冻胀量的影响较小，而当观测冻融值和冻融倾斜变化时，不同规格的测量板对冻融位移变化的差异较大，其中仅有实验例8的误差最小。这是因为冻融现象是一个反复交替的复杂现象，它经常伴随着土壤侵蚀变化，即位移量变化的同时，土壤表面也会不同程度的倾斜，因此，测量板的大小和厚度能综合从一整平面上综合考量土壤的侵蚀变化。
表2不同测量板面积和厚度对测量值的影响
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，包括第一标准桩(1)和传动杆(10)，其特征在于：所述第一标准桩(1)上安装有钢丝(19)，且钢丝(19)上设置有花兰螺栓(18)，同时第一标准桩(1)与第二标准桩(12)通过钢丝(19)相连接；测量筒(2)的内部上端固定有固定部(3)，且测量筒(2)的下端设置有筒底部(14)，同时筒底部(14)上开设有第二孔洞(26)和第三孔洞(27)，测量筒(2)的内部侧壁上开设有限位槽(9)，固定杆(5)的下端插接在测量地面(11)内，且固定杆(5)上开设有定位槽(15)，移动块(6)设置在传动板(17)的上端，且传动板(17)通过螺栓与移动块(6)相固定，固定块(8)的左端焊接在移动块(6)右侧设置的凹槽中，移动块(6)内部开设有孔槽(20)，固定块(8)的侧壁上开设有滑槽(22)，且固定块(8)内部安装有压缩弹簧(31)；记录笔(7)的左端设置有滑块(21)，且传动板(17)上设置有第二安装板(28)和第四孔洞(29)，同时传动板(17)安装在测量筒(2)的内部；
所述传动杆(10)的上端通过第二安装板(28)与传动板(17)相固定，且传动杆(10)的下端通过第一安装板(24)与测量板(13)相固定，同时传动杆(10)安装在传动板(17)与测量板(13)的中间；测量板(13)中部开设有第一孔洞(25)，且测量板(13)的上端设置有第一安装板(24)，移动块(6)内部与定位块(23)一体成型，测量筒(2)内部开设有卡槽(30)，且刻度纸(4)粘贴在卡槽(30)的内部。
2.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述第一标准桩(1)与第二标准桩(12)为平行关系，且第一标准桩(1)与第二标准桩(12)均是由长2m的钢筋做成的底部为锥形的圆柱形结构。
3.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述测量筒(2)是由镀锌铁皮做成的内部为中空的圆柱形结构，且限位槽(9)沿着测量筒(2)的内壁设置为四组，同时相邻两组限位槽(9)之间的距离相等。
4.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述固定杆(5)是由钢筋做成的剖面为方形的结构，且固定杆(5)的上端插接在固定部(3)的内部，同时固定杆(5)与记录笔(7)为垂直关系。
5.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述移动块(6)与传动板(17)形成T字形，且限位块(16)沿着传动板(17)的周向位置设置为四组，同时相邻两组限位块(16)之间的角度为90°，滑块(21)滑接在滑槽(22)的内部。
6.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述限位槽(9)与限位块(16)的尺寸相适配，且可适度倾斜运动，倾斜范围为1-3°，同时限位块(16)滑接在限位槽(9)的内部；移动块(6)通过定位块(23)滑接在定位槽(15)的内部。
7.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述传动杆(10)设置为三组，且三组传动杆(10)穿过筒底部(14)表面的三组第二孔洞(26)设置；传动杆(10)的上端通过螺栓与第二安装板(28)相固定，且第二安装板(28)焊接在传动板(17)的底部，传动杆(10)的下端通过螺栓与第一安装板(24)相固定，且第一安装板(24)焊接在测量板(13)的上表面。
8.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述第一孔洞(25)、第三孔洞(27)和第四孔洞(29)均为方形设置，且第一孔洞(25)、第三孔洞(27)和第四孔洞(29)的尺寸一致，同时三组孔洞的尺寸大于固定杆(5)的横截面尺寸。
9.根据权利要求1所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：所述测量板为边长为15-30cm的方形钢板，厚2-4mm，作为接触地面测量冻胀的测量区域。
10.根据权利要求9所述的一种用于测量冻融侵蚀冻胀和冻融位移量的装置，其特征在于：测量板为边长为20cm的方形钢板，厚3mm。
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|---|---|---|---|---|
| CN114184734A (zh) * | 2021-10-11 | 2022-03-15 | 兰州大学 | 一种可区分盐渍土冻胀量与盐胀量的联合测定装置 |
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2019
- 2019-08-20 CN CN201910769261.2A patent/CN110398221B/zh active Active
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